[论文解读] Rethinking Grid-Forming and Grid-Following Inverters: The Duality Theory.

Yitong Li, Yunjie Gu+1 more|arXiv (Cornell University)|May 27, 2021

Microgrid Control and Optimization参考文献 20被引用 8

一句话总结

本文提出了一种对偶理论，通过揭示同步、电网接口、功角动态和稳定性特性方面，电网型与电网跟随型逆变器之间对称且与技术无关的关系，统一了二者。该框架揭示了控制器、阻抗/导纳调节以及失稳机制中的对偶性，从而更清晰地分析了在弱电网和强电网中的稳定性。

ABSTRACT

Power electronic converters for integrating renewable energy resources into power systems can be divided into grid-forming and grid-following inverters. They possess certain similarities, but several important differences, which means that the relationship between them is quite subtle and sometimes obscure. In this article, a new perspective based on duality is proposed to create new insights. It successfully unifies the grid interfacing and synchronization characteristics of the two inverter types in a symmetric, elegant, and technology-neutral form. Analysis shows that the grid-forming and grid-following inverters are duals of each other in several ways including a) synchronization controllers: frequency droop control and phase-locked loop (PLL); b) grid-interfacing characteristics: current-following voltage-forming and voltage-following current-forming; c) swing characteristics: current-angle swing and voltage-angle swing; d) inner-loop controllers: output impedance shaping and output admittance shaping; and e) grid strength compatibility: strong-grid instability and weak-grid instability. The swing equations are also derived in dual form for two inverter types, which reveal the dynamic interaction between the grid strength, the synchronization controllers, and the inner-loop controllers. Insights are generated into cases of poor stability. The theoretical analysis and time-domain simulation results are used to illustrate cases of instability for simple single-inverter-infinite-bus systems and a multi-inverter power network.

研究动机与目标

• 解决缺乏统一理论框架以理解电网型与电网跟随型逆变器之间微妙但关键差异的问题。
• 澄清其动态交互的模糊性，特别是在弱电网和强电网中同步与稳定性方面的问题。
• 建立两种逆变器类型的对称、与技术无关的表示形式，以简化分析与设计。
• 揭示关键控制与电网接口特性之间的对偶关系，以增强对系统稳定性的理解。
• 为诊断和缓解单逆变器与多逆变器电力系统中的失稳现象提供理论基础。

提出的方法

• 提出一种基于对偶性的框架，将电网型与电网跟随型逆变器在五个关键领域映射为对偶系统：同步控制器、电网接口行为、功角动态、内环控制和电网强度兼容性。
• 推导出描述电网强度、同步控制器与内环控制器之间动态交互的两种逆变器类型的对偶功角方程。
• 将电网型逆变器中的频率下垂控制与电网跟随型逆变器中的相位锁定环（PLL）作为对偶控制策略。
• 将电网接口建模为对偶形式：电流跟随（电网型）与电压跟随（电网跟随型），以及电压角摆动与电流角摆动动态。
• 将输出阻抗整形（电网型）与输出导纳整形（电网跟随型）作为对偶的内环控制技术。
• 通过单逆变器-无限大母线系统和多逆变器网络的时间域仿真验证对偶理论，以说明失稳案例。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何通过控制与动态中的对称对偶性，正式关联电网型与电网跟随型逆变器？
• RQ2 在两种逆变器类型中，同步控制器（如下垂控制与PLL）之间的对偶关系是什么？
• RQ3 电压角摆动与电流角摆动的功角动态在两种逆变器类型之间如何对应？
• RQ4 在内环控制设计中，输出阻抗整形与输出导纳整形如何构成对偶？
• RQ5 该对偶框架如何解释并预测弱电网与强电网条件下系统失稳？

主要发现

• 对偶理论成功地在五个关键领域中以对称、与技术无关的形式统一了电网型与电网跟随型逆变器。
• 同步控制器——频率下垂与PLL——被证明是对偶的，二者在维持系统稳定性方面具有等效作用。
• 电网接口行为是对偶的：电流跟随（电网型）与电压跟随（电网跟随型），并具有相应的对偶功角动态。
• 内环控制策略——输出阻抗整形与输出导纳整形——在数学上是对偶的，从而支持一致的设计原则。
• 该框架揭示了电网跟随型逆变器在强电网中的失稳与电网型逆变器在弱电网中的失稳是相互对偶的现象。
• 时间域仿真结果证实，基于对偶性的分析能够准确预测单逆变器与多逆变器系统中的失稳现象。